Prototipo di materiale intelligente sfida le leggi del moto di Newton

Progettato dai fisici un prototipo di un metamateriale attivo piccolo e leggero in grado di controllare la direzione e l'intensità delle onde di energia

I solidi costituiti da componenti attivi hanno mostrato strani tensori di rigidità elastica i cui moduli attivi compaiono nella parte antisimmetrica e che danno origine a fenomeni statici e dinamici non hermitiani.

Per più di 10 anni, il dottor Guoliang Huang (1), Huber and Helen Croft Chair in Engineering presso l'University of Missouri, ha studiato le proprietà non convenzionali dei “metamateriali”, un materiale artificiale che mostra proprietà non comunemente presenti in natura come definito dalle leggi del moto di Newton, nella sua ricerca a lungo termine di progettare un metamateriale ideale.

L'obiettivo di Huang è aiutare a controllare le onde di energia “elastiche” che viaggiano attraverso strutture più grandi - come un aereo - senza luce e piccole “metastrutture”.

«Per molti anni ho lavorato alla sfida di come utilizzare la meccanica matematica per risolvere problemi di ingegneria», ha detto Huang. «I metodi convenzionali hanno molte limitazioni, tra cui dimensioni e peso. Quindi, ho esplorato come possiamo trovare una soluzione alternativa utilizzando un materiale leggero che è piccolo ma può comunque controllare la vibrazione a bassa frequenza proveniente da una struttura più grande, come un aereo».

Ora, Huang è un passo più vicino al suo obiettivo. In un nuovo studio pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (2), il dottor Huang e colleghi hanno sviluppato un prototipo di metamateriale che utilizza segnali elettrici per controllare sia la direzione che l'intensità delle onde di energia che passano attraverso un materiale solido.

Le potenziali applicazioni del suo design innovativo includono usi militari e commerciali, come il controllo delle onde radar indirizzandole a scansionare un'area specifica alla ricerca di oggetti o la gestione delle vibrazioni create dalla turbolenza dell'aria da un aereo in volo.

«Questo metamateriale ha una strana densità di massa», ha detto Huang. «Quindi, la forza e l'accelerazione non vanno nella stessa direzione, fornendoci così un modo non convenzionale per personalizzare il design delle dinamiche strutturali di un oggetto, o le proprietà per sfidare la seconda legge di Newton».

Questa è la prima realizzazione fisica della densità di massa dispari, ha detto Huang.

«Ad esempio, questo metamateriale potrebbe essere utile per monitorare la salute di strutture civili come ponti e condutture come trasduttori attivi, aiutando a identificare eventuali danni potenziali che potrebbero essere difficili da vedere con l'occhio umano».

“Active metamaterials for realizing odd mass density,” pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Altri collaboratori dell'University of Missouri-Columbia includono Qian Wu, Xianchen Xu, Honghua Qian, Shaoyun Wang, Zheng Yan e Hongbin Ma. Le sovvenzioni dell'Air Force Office of Scientific Research e dell'Army Research Office hanno finanziato la ricerca.

Riferimenti:

(1) Guoliang Huang

(2) Active metamaterials for realizing odd mass density

Descrizione foto:

Foto destra: Guoliang Huang. - Credit: University of Missouri.

Foto sinistra: Il prototipo di metamateriale utilizza segnali elettrici trasportati da questi fili neri per controllare sia la direzione che l'intensità delle onde di energia che passano attraverso un materiale solido. - Credit: University of Missouri.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Smart material prototype challenges Newton’s laws of motion